Молекулата на живота: как ДНК стана царица на биологията
Последно: 10 февруари 2014 г. в 09:33
Преди 70 години за първи път е доказана ролята на ДНК в предаването на наследствена информация.
На 1 февруари 1944 година в американското Списание за експериментална медицина е публикувана статия, която коренно променя биологичната наука. Опитът, влязъл в история като Експеримент на Ейвъри-Маклауд-Маккарти, за първи път доказва, че носител на наследствената информация се явява дезоксирибонуклеиновата киселина, или ДНК. Днес едно от най-важните научни открития на ХХ век, положило началото на молекулярната биология, навършва 70 години.
През XXI век понятията „ген” и „ДНК” в популярното съзнание практически са синоними. Трибуквената абревиатура на сложния термин толкова здраво е влязла в нашата култура, че се използва дори в названията на кремове за лице.
Така е било невинаги. Освен това във времената, на които е посветена голяма част от училищния курс по генетика, идеята за това, че носител на генетичната информация може да е ДНК, са били, ако не богохулни, то най-малкото безумни.
Умни и глупави молекули
През 40-те години на ХХ век генетиката преживява разцвет. Още в началото на века са „преоткрити” законите на Мендел – основополагащите принципи на наследствеността, описани от чешкия монах с примера на грах. През 60-те години на XIX век, когато Мендел се опитвал да убеди научната общественост в значимостта на своите резултати, европейските естественици били прекалено заети с дебати около „Произход на видовете” на Чарлз Дарвин, за да възприемат странния монах на сериозно.
В следващите 30-40 години генетиката израства в пълноценна наука. Например установено е, че наследствената информация в клетките по някакъв начин е „записана” в хромозомите. Достойнството на хромозомите се заключава в това, че те са достатъчно големи и плътни, за да могат да се разгледат в оптичен микроскоп – именно това позволило на генетиците да изучат тяхното „поведение” в подробности.
Впрочем върху този „оптичен” поглед генетиците и спрели – методи, позволяващи да се надникне в хромозомите, тогава не съществували. Затова генетиката от това време съществувала отделно от науката за „молекулярното ниво”. Генетиците кръстосвали мухи и царевица и наблюдавали резултатите, без да се вглеждат в микроскопичните и още повече молекулярни детайли на случващото се. В този смисъл ранната генетика била по-близо към класическата зоология и ботаника, отколкото до биохимията, от която днес е неотделима.
В „молекулярния” свят на науката от 40-те години безпрекословно царели белтъците. Дори тяхното гръцко название – протеини, „първични”, предизвиква благоговението на биохимиците пред тази обширна група молекули, изпълняващи, както се смятало, всички основни роли в живите организми.
Към 30-те години било ясно, че белтъците се състоят от 20 аминокиселини – невероятни възможности за комбиниране! Били открити ензимите, дори предсказани някои аспекти на белтъчната структура.
В сравнение с белтъците ДНК с нейните четири „блокчета” – нуклеотидите – изглеждала безнадеждно „глупава” молекула, неспособна на каквито и да е „смислени” функции. Популярната теория по това време било това, че ДНК винаги се състои от периодични повторения на нуклеотидите, представлявайки нещо от рода на леко усложнено нишесте.
Генетиците „разположили” наследствеността в хромозомите, а биохимиците установили, че те се състоят от белтък и ДНК. Както можем да се досетим, повечето учени смятали за разбиращ се от само себе си факт, че наследствената функция се изпълнява именно от хромозомния белтък – ДНК се смятала за второстепенна. В най-добрия случай на нея ѝ се позволявало да помага на белтъка да се занимава с „умни” дела.
Мъртви бактерии, мъртви мишки
В такава атмосфера Ейвъри, Маклауд и Маккарти са публикували резултатите от своя еволюционен експеримент. В качеството на обект за изучаване са били избрани пневмококи – бактерии, предизвикващи пневмония. Тези бактерии съществуват в два варианта – R тип, който не предизвиква заболяване, и S тип, способен да убие заразена с него мишка.
Било известно, че бактериите от S тип могат да „обръщат вярата” на R бактериите. Освен това такова „обръщане”, или трансформация на R бактериите е възможно дори ако самите S бактерии са убити чрез нагряване.
По такъв начин се наблюдава загадъчен феномен. Мишките, заразени с безобидния R щам пневмококи, оцеляват. Мишките, заразени с опасния, но убит S щам, също оцеляват (убитите бактерии не могат да се размножават и да предизвикат заболяване). Но ако се заразят мишките с R бактерии, смесени с мъртви S бактерии, то в тяхната кръв се появяват живи S бактерии и мишките загиват.
Очевидно, че някой компонент на мъртвата S бактерия трансформира живата R бактерия, тоест превръща я в S бактерия. Именно в търсенето на този „трансформиращ агент” се състояла задачата, която си поставили Ейвъри, Маклауд и Маккарти.
Изследователите решили да „отворят” мъртвата S бактерия и да се опитат да установят кой от нейните компоненти се явява трансформиращият агент. Като отделили белтъците от екстракт бактерии, учените открили, че полученият разтвор продължава да трансформира R пневмококите в S тип, убиващ мишките. От друга страна, ако се добави в този разтвор ензим, преваряващ ДНК, то трансформацията престава да работи.
Днес знаем, че трансформацията се определя от предавания от бактерия на бактерия плазмид – малък „конвертор” на ДНК, носещ един или няколко гена. Плазмидите могат да остават неувредени дори ако се разруши съдържащата ги клетка – като в случая с убитите S пневмококи. По такъв начин за първи път в историята е доказано, че ДНК може да предава информация и се явява физически носител на наследствеността.
Генетична треска
От момента на публикуване на експеримента на Ейвъри-Маклауд-Маккарти научната общественост е изминала дълъг път от решителното отрицание през споровете до постепенното признаване на ДНК като „умна молекула” и в крайна сметка – до фактическото ѝ коронясване в качеството на „примадона на биологията”. Немалка роля в това изиграва откриването на структурата на ДНК – двойна спирала, която впоследствие става главен символ на цялата биологична наука.
Това, което преди изглеждало на изследователите като признак за примитивността на ДНК – само четири съставни блока, – се оказало гениално изобретение на природата. Както двоичният машинен код описва най-сложните програми и алгоритми, така и четирите нуклеотида на ДНК предават информация като своеобразна разширена „Морзова азбука”.
Научили се в края на 70-те години да „четат” ДНК, учените се хвърлят да търсят генетичната основа на всеки процес, протичащ в организма. Към 90-те изглеждало, че за всяка болест може да се намери отговорен ген и мутация, виновна за проблема.
За съжаление най-много на натиска на генетиката се съпротивлявали невробиолозите и психолозите. Действително, идеята, че поведението може да се определя от последователността на нуклеотидите в ДНК, е трудно да се приеме на доверие. Това противостояние на „генетичните детерминисти” и привържениците на ролята на възпитанието и средата в английския език е прието да се обозначава с „nature vs nurture”, което условно може да се преведе като „природата срещу грижата”.
Кой се оказва прав? Както твърдят съвременните генетици, през XXI век въпросът за това, в кое в поведението си човекът се ръководи от гените и в кое – не, може да се смята за приключен. Гените определят всичко.
Но рано е да се обявява победата на „детерминистите”, тоест на тези, които смятат, че абсолютно всичко в поведението и физиологията може да се опише от последователността на ДНК. Въпросът е в това, че макар генетичният компонент наистина да присъства във всичко – от ръста и склонността към пушене до интелекта и темперамента, – освен него съществуват и други фактори, включително и въпросната „грижа”.
Природата на грижата и грижата на природата
Да допуснем, че искаме да установим явява ли се асоциалното поведение генетичен признак. Как се прави това? До разшифроването на човешкия геном през 2003 година основен метод за подробен анализ е бил методът на близнаците. Той се заключава в съпоставяне на големи групи еднояйчни и разнояйчни близнаци.
При еднояйчните близнаци всички гени са еднакви. При разнояйчните са еднакви само 50% от гените. Ако асоциалното поведение изцяло се определя от гените, то всички двойки еднояйчни близнаци ще бъдат или едновременно асоциални, или едновременно социални, а сред разнояйчните близнаци съвпадение ще се наблюдава в половината от случаите. Ако признакът не зависи от гените, то той ще съвпада при двата типа близнаци с еднаква честота.
С настъпването на века на геномиката, когато „прочитането” и анализът на цели геноми станал сравнително евтин и бърз, анализът се изместил в молекулярната плоскост. Днес може да се анализира ДНК на различни групи хора и с висока точност да се определи какви именно изменения най-добре предсказват асоциалното поведение.
Да допуснем, че по съвкупността на „близнашките” и „геномните” данни сме установили, че асоциалното поведение 60% се определя от гените. Означава ли това, че останалите 40% не са свързани с генетиката? Не. Означава ли, че действието на гените, включени в 60-те процента, не е свързано с околната среда? Също не.
Всичко, което ни дава информацията за „процента наследственост” – това е делът изменчивост, с който можем да обясним вариациите на ДНК последователностите. На практика средата и генетиката са свързани неразривно – тяхното възприемане поотделно просто няма смисъл.
Вече променяме всяка „буква” от генома
Американски молекулярни биолози разработиха методика за „редактиране” на генома, която ще позволи отстраняването и заместването на свръхкъси участъци в човешката ДНК с дължина до една „буква” нуклеотид, и публикуваха основните принципи в сп. Nature Methods.
„Прогресът в изучаването на човешкия геном доведе дотам, че знаем за съществуването на стотици мутации в нашия геном, чиято поява води до развитието на тежки болести. Но досега нямахме ефективна методика за изучаване на тези изменения. За решаване на този проблем трябва да създадем инструменти за „проектиране” на човешкия геном, което ние и направихме”, казва Брюс Конклин от Калифорнийския университет в Сан Франциско.
Конклин и колегите му се научили да заменят произволни фрагменти на ДНК в стволовите клетки, опитвайки се да решат проблема с търсенето на свръхредки мутации, шансът за появата на които е не повече от едно към десет хиляди. За откриването на такива проблеми в ДНК учените създали флуоресцентен белтък, който умее да открива единичните мутации в ДНК на човека и да се прикрепва към тях, като „осветява” клетките с неизправната ДНК.
Тези участъци след това се обработват със специалните ензими TALEN, които редакцията на сп. Science обяви за едни от главните открития на 2013 г. Те „изрязват” този фрагмент от генома, за който се е захванал светещият белтък, и поставят на негово място изправна ДНК. Подобен подход ще позволи да се променят дори единични „букви” в генетичния код и да се използват по-ниски концентрации на TALEN, което снижава шансовете за отстраняване на други участъци от генома погрешка.
„Много от най-пагубните болести на човека се предизвикват от изключително малки изменения в генома. Ние се надяваме, че нашата методика, която позволява да се гледа на човешкия геном като на код от компютърна програма, в скоро време ще ни позволи да премахваме тези мутации и да ремонтираме увредения генетичен код”, заключава Конклин.
Да вземем пак примера за асоциалното поведение. Взаимодействието на гените със средата може да се проявява по различни начини. Първо, генетичните фактори могат да влияят на степента на влияние на средата. Да речем „генетично” впечатлителното дете остро възприема алкохолизма и насилието в семейството – средата му влияе много силно и може да доведе до развитие на асоциално поведение в зрелия живот. Същата среда може и изобщо да не влияе на друго дете, което „по природа” е безгрижно и нищо не взема присърце.
Второ, генетиката може да влияе върху чувствителността към околната среда. Например известно е, че „природните” агресивност и непослушание на детето стимулират жестоки, включително физически мерки за наказание от страна на родителите. Възможно е именно тези наказания да се отразяват върху по-нататъшното развитие на детето – но в дадения случай средата ли да се смята за първична, или генът?
Накрая, никакъв ген не описва пряко строежа на мозъка или модела на поведението. Всички тези признаци всъщност представляват наслояване на хиляди малки молекулярни и клетъчни особености, намиращи се във взаимни причинно-следствени връзки. Всяка от „тухличките”, от които се натрупва наследствеността, може да е в една или друга степен подложена на влиянието на външната среда – също сложна система, която още по-трудно може да се „раздроби” на елементарни съставки.
По такъв начин данните за „процента наследяемост” са само усредняване на почти безкрайното количество взаимодействия между молекулите вътре и извън организма. Тези взаимодействия започват в момента на зачеването и постепенно, стъпка след стъпка, водят до формирането на целия организъм с всичките му признаци – от цвета на очите до маниера на изказа.
Възможно е някога да успеем да проследяваме всяка молекула от развиващия се организъм и да предсказваме точно с какво и как ще се отрази едно или друго въздействие. Но засега това са фантазии от далечното бъдеще.
Поглеждайки към изминалите седемдесет години, трябва да заключим, че още никога в своята история човекът не е научавал за себе си толкова много, колкото е разбрал през ХХ и началото на XXI век. И нищо не е помогнало така, както изследването на дезоксирибунуклеиновата киселина.
Забележително е, че новото хилядолетие в биологията е започнало с разшифровката на човешкия геном. Над три милиарда „букви” на ДНК имат още много да ни разкажат.
